CN102594293A

CN102594293A - 选频叉指换能器

Info

Publication number: CN102594293A
Application number: CN2012100151002A
Authority: CN
Inventors: 李红浪; 何世堂; 刘久玲; 梁勇
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Guangdong Guangnaixin Technology Co ltd
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-01-17
Also published as: CN102594293B

Abstract

本发明涉及一种选频叉指换能器。该换能器包括：压电基片，位于所述压电基片上的一维叉指换能器和位于所述一维叉指换能器之上的二维金属点阵，通过选择所述二维金属点阵的周期和所述一维叉指换能器电极周期的比值，产生通带或阻带。所述二维金属点阵阵元的材料为铜、钨或金。所述一维叉指换能器的电极材料为铝、铜或金。所述压电基片的材料为钽酸锂、铌酸锂或石英。所述一维叉指换能器电极周期和二维金属点阵周期的比例在1.1到6.6之间时，实现带通频率特性。所述一维叉指换能器电极周期和二维金属点阵周期的比例在0.2到6之间时，实现带阻频率特性。

Description

选频叉指换能器

技术领域

本发明涉及电子元器件领域，尤其涉及一种选频叉指换能器。

背景技术

叉指换能器尺寸小，能够高效地激励和接收声表面波(SAW)，是表面波滤波器以及其它表面波器件中典型的电-声-电转换结构，在声表面波器件中对声波的激发和接收起到调制作用，从而实现频率选择的功能。

常规叉指换能器是金属叉指按周期布置在压电基片材料上如图1所示，11是压电基片，12是叉指换能器，13是汇流条，叉指周期为λ，其幅度频率响应是由叉指换能器形状、材料等决定，由于其最基本的加权都是通过单根线状指条控制，因而通常认为是一维加权。通过一维控制叉指的换能加权函数和反射加权函数实现了各种叉指换能器的频率响应。叉指电极材料通常是铝、金、铜或者合金层状结构，指条形状是线状指条。随着频率控制技术的发展，在有限面积情况下，进一步改善通带形状、提高阻带抑制，现有一维叉指换能器已经遇到了瓶颈。

2010年IEEE.UFFC：pp.30-37文章《A SAW resonator withtwo-dimens ional reflectors》提到一种新型的二维反射结构声表面波谐振器，该结构中的二维金属点阵类似于声子晶体束缚声表面波能量于谐振器内，提高谐振器的谐振Q值，从而提高了谐振器的性能，其中叉指换能器电极和二维金属点阵之间的周期比例为2(λ表示叉指周期，a表示二维点阵周期，二者周期比例为λ/a)，这一结构代替了线状指条在二维空间实现能量控制，为二维点阵在声表面波器件中的推广应用提供了新的途径。其方案如图2所示，但作者仅仅用点阵完成能量在单一频点的限制功能，对于滤波结构的多频率点的频率选择(例如通带频率通过特性，阻带频率抑制特性)没有进一步研究，即无法实现具有二维点阵换能器的复合滤波效应。

到目前为止，二维点阵的微米级尺寸的压电结构在声表面波叉指换能器的选频，尤其是改善通带和阻带频率特性的方案尚有待提出。

发明内容

本发明的目的是改善二维点阵的微米级尺寸的压电结构在声表面波叉指换能器的通带和阻带频率特性。

为实现上述目的，本发明提供了一种选频叉指换能器。该换能器包括：压电基片，位于所述压电基片上的一维叉指换能器和位于所述一维叉指换能器之上的二维金属点阵，通过选择所述二维金属点阵的周期和所述一维叉指换能器电极周期的比值，产生通带或阻带。

优选地，所述一维叉指换能器的电极材料为铝、铜或金。

优选地，所述压电基片的材料为钽酸锂、铌酸锂或石英。

优选地，所述一维叉指换能器电极周期和二维金属点阵周期的比例在1.1到6.6之间时，实现带通频率特性。

优选地，所述一维叉指换能器电极周期和二维金属点阵周期的比例在0.2到6之间时，实现带阻频率特性。

本发明还提供了一种通带或阻带的选频方法。该方法包括下列步骤：通过选择设置在一维叉指换能器之上的二维金属点阵的点阵周期和一维叉指换能器电极周期的比值，产生通带或阻带频率响应。

本发明较现有的一维叉指换能器而言，其频率特性由一维叉指换能器频率响应和二维金属点阵频率响应叠加复合而成。该频率合成是通过控制叉指电极和二维金属点阵之间的周期比例实现，选频带通叉指换能器的电极周期与金属点阵周期的比例λ/a在1.1到6.6之间。选频带阻叉指换能器的电极周期与金属点阵周期比例λ/a在0.2到6之间。因而本发明实施例的选频叉指换能器具有更加灵活的选频特性，从而突破现有一维换能器的频率响应限制。

附图说明

图1是现有的常规叉指换能器的结构示意图；

图2是现有的二维反射结构声表面波谐振器的结构示意图；

图3是本发明实施例的选频叉指换能器的结构示意图；

图4是本发明的以48°Y切钽酸锂为基片的二维钨、金、铜点阵频率响应图；

图5是本发明的以128°YX铌酸锂为基片的二维钨、金、铜点阵频率响应图；

图6是本发明的以ST-X石英为基片的二维钨、金、铜点阵频率响应图；

图7是本发明的以36°YX钽酸锂为基片的二维钨、金、铜点阵频率响应图；

图8是本发明的以42°YX钽酸锂为基片的二维钨、金、铜点阵频率响应图；

图9是本发明实施例的常规叉指换能器的频率响应图；

图10是实例1的以钽酸锂为基片的二维钨点阵选频叉指换能器频率响应图；

图11是实例2的以铌酸锂为基片的二维铜点阵选频叉指换能器频率响应图；

图12是实例3的以ST-X石英为基片的二维钨点阵选频叉指换能器频率响应图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供了一种采用二维点阵、具有选频特性的复合叉指换能器。

图3是本发明实施例的选频叉指换能器的结构示意图。如图所示，该选频叉指换能器包括：压电基片30、一维叉指换能器31、二维金属点阵32和汇流条33。所述一维叉指换能器31设置在所述压电基片30上，所述二维金属点阵32设置在所述一维叉指换能器31的电极上，因此所述一维叉指换能器31与所述二维金属点阵32在空间上叠加在一起。所述压电基片30的材料采用钽酸锂、铌酸锂或石英。所述一维叉指换能器31的电极的材料采用铝、铜或者金。所述二维金属点阵32中的金属阵元321的材料采用铜、钨或者金。

本发明实施例中的选频叉指换能器通过选择所述压电基片30的材料、二维金属点阵32的阵元321的材料以及控制点阵的排列来控制所述二维金属点阵的选频特性。该选频叉指换能器的频率响应由一维叉指换能器31的频率响应和二维金属点阵32的频率响应叠加复合而成，这样就可以实现二维点阵换能器的复合滤波效应，阵元的结构通过如下分析给出。

基于下列选频叉指换能器参数模型进行选频叉指换能器频率响应的理论分析：压电基片采用钽酸锂、铌酸锂和石英，二维点阵的金属材料分别采用钨、金、铜，点阵周期为a(例如2微米)，点阵阵元长、宽小于a(例如1微米)，竖向相邻两阵元331之间的间距由a/λ_IDT的值决定。叉指铝电极的厚度与二维点阵阵元的厚度都在0.5％λ到10％λ范围内。在该范围内，二维金属点阵产生的声表面波的频率响应分布基本保持不变。理论分析的频率响应如图4、图5、图6、图7、图8所示。

图4是以48度Y切钽酸锂为基片的二维钨、金、铜点阵频率响应。

图5是以128度Y切X传播铌酸锂为基片的二维钨、金、铜点阵频率响应。

图6是以石英ST-X为基片的二维钨、金、铜点阵频率响应。

图7是以36度Y切X传播钽酸锂为基片的二维钨、金、铜点阵频率响应。

图8是以42度Y切X传播钽酸锂为基片的二维钨、金、铜点阵频率响应。

图4-8中，纵坐标是频率响应相对幅度，即透射信号幅值与入射信号幅值之比；横坐标为归一化频率，基本单位为f₀。f₀可以任意选择，当a＝2微米时，可以选为2GHz。其中，实线所示曲线表示二维钨的点阵频率响应图，点线所示曲线表示二维金的点阵频率响应图，虚线所示曲线表示二维铜的点阵频率响应图，在0.3到0.4频率段获得通带特性。

如图4-8所示，可以发现相对幅度在一定范围内适合做通带，在另一范围内适合做阻带。通常认为相对幅度在-3dB以上出现通带，在-10dB以下出现阻带，在图4-8中通过两条直线已标出。这样，选频叉指换能器可以具有通带和阻带特性。

一维叉指换能器的选频特性由传统设计方法获得，例如简单的不加权叉指换能器，叉指对数为5，频率响应如图9所示。其中心频率根据归一化，为0.5f₀，f₀是归一化基本单位(也可以选择与二维点阵频率图归一化基本单位保持一致)，叉指换能器中心频率由压电基片表面的波速与叉指周期比值得到。

从计算发现，一维叉指换能器的通带、阻带和具有二维点阵的选频叉指换能器的通带、阻带并不相同，而且选频叉指换能器的频率响应更加多变，因此如果一维叉指换能器和二维点阵在同一空间上的组合使用，可以得到非常丰富的带通和带阻频率选择特性。

本发明实施例中，由一维叉指换能器和二维金属点阵产生的声表面波的复合频率响应的组合原则如下：

对于一维叉指换能器，通带位置f_IDT＝V_IDT/λ_IDT，其中，V_IDT为一维叉指换能器激发的声表面波的波速，λ_IDT为一维叉指换能器的电极周期。

对于二维金属点阵，通常认为相对幅度值在-3dB以上是通带，-10dB以下通常为阻带，通带和阻带位置由计算可以得到，f_p＝V_p/a，其中，a为二维金属点阵周期，V_p为二维金属点阵中不同的通带和阻带对应的声波模式速度，通常有多个值。

V_p/V_IDT＝a/λ_IDT*f_p/f_IDT＝f_p/(η*f_IDT)，其中λ_IDT/a＝η。

当一维叉指换能器的通带、阻带和二维点阵的通带、阻带不重合的时候，因为声波速度V_p和V_IDT都是固定的，通过调整λ和a，可以实现一维叉指换能器和二维金属点阵通带进行复合叠加或者阻带进行复合叠加，即达到f′_p＝f′_IDT，实现复合频率响应。f′_p、f′_IDT分别指调整后的一维叉指换能器(通带或阻带)频率、二维金属点阵(通带或阻带)频率。

因此调整后的周期比λ′_IDT/λ′_p＝V_IDT/V_p*f′_p/f′_IDT＝η*f_IDT/f_p，即通过调整λ_IDT/a＝η来实现。

带通换能器组合根据如下：计算结果的-3dB以上通常认为是通带，结果λ/a值的范围可以归纳为1.1-6.6。通带f_IDT在0.5附近，带通换能器调整前周期比η＝2，调整后的周期比λ/a＝η*f_IDT/f_p。参见根据不同基片材料和电极材料分析结果图：

48°Y切钽酸锂：如图4，形成通带的频率值f_P分布在0.15-0.48、0.6、0.82、0.9附近，因此调整后的周期比λ/a值范围为1.1-6.6。

128°YX铌酸锂：如图5，形成的通带频率f_p分布在0.15-0.48、0.6、0.85、0.95附近，因此调整后的周期比λ/a值范围为1.1-6.6。

ST-X石英：如图6，形成的通带频率分布f_p在0.15-0.45、0.65、0.75附近，因此调整后的周期比λ/a值范围为1.3-3.3。

36°YX钽酸锂：如图7，形成的通带频率f_p分布在0.15-0.45、0.82附近，因此调整后的周期比λ/a值范围为1.2-6.6。

42°YX钽酸锂：如图8，形成的通带频率f_p分布在0.15-0.6、0.85附近，因此调整后的周期比λ/a值范围为1.2-6.6。

带阻换能器组合根据如下：计算结果的相对幅度在-10dB以下通常为阻带，结果λ/a值范围可以归纳为0.2-6。阻带调整前周期比η＝2，阻带f_IDT在0.1、0.2、0.3、0.4、0.6、0.7、0.8、0.9附近，调整后的周期比λ/a＝η*f_IDT/f_p。参见根据不同基片材料和电极材料分析结果图：

48°Y切钽酸锂：如图4，形成阻带的频率值f_p分布在0.5、0.7、0.8、0.9附近，因此调整后的周期比λ/a值范围为0.2-3.6。

128°YX铌酸锂：如图5，形成的阻带频率f_p分布在0.3附近，0.45-0.55、0.8-0.95，因此调整后的周期比λ/a值范围为0.2-6。

ST-X石英：如图6，阻带频率f_p分布在0.3-0.6、0.7-0.9，因此调整后的周期比λ/a值范围为0.2-6。

36°YX钽酸锂：如图7，形成的阻带频率f_p分布在0.5、0.7、0.8、0.95附近，因此调整后的周期比λ/a值范围为0.2-3.6。

42°YX钽酸锂：如图8，形成的阻带频率f_p分布在0.5、0.68、0.8、0.9附近，因此调整后的周期比λ/a值范围为0.2-3.6。

基于上述的理论分析，进行了以下一系列的实验进行了验证。

图10是实例1的以钽酸锂为基片的二维钨点阵频率响应图。如图所示，本实施例中，所述压电基片31采用48°Y切钽酸锂材料。所述一维叉指换能器32的电极材料为铝，电极周期为5.8微米，中心频率为0.35f₀。所述二维金属点阵33的阵元331的材料是钨，点阵周期为2微米。可知所述一维叉指换能器32的电极周期与二维金属点阵的周期之比为η＝2.9，此时所述选频叉指换能器实现带通滤波响应，并且可以控制一维叉指换能器32和二维金属点阵通带进行复合叠加，从而改善一维叉指换能器32的通带特性。图中所示曲线表示二维钨点阵在0.3到0.4频率段获得通带特性。

图11是实例2的以铌酸锂为基片的二维铜点阵频率响应图。如图所示，本实施例中，所述压电基片31采用128°Y切X铌酸锂材料。所述一维叉指换能器32的电极材料为铝，电极周期为6.2微米，中心频率为0.32f₀。所述二维金属点阵33的阵元331的材料是铜，点阵周期为2微米。可知所述一维叉指换能器32的电极周期与二维金属点阵的周期之比为η＝3.1。此时所述选频叉指换能器实现带通滤波响应，并且可以控制一维叉指换能器32和二维金属点阵通带进行复合叠加，从而改善一维叉指换能器32的通带特性。图中所示曲线表示二维铜点阵在0.25到0.4频率段获得通带特性。

图12是实例3的以ST-X石英为基片的二维钨点阵频率响应图。如图所示，本实施例的该实例中，所述压电基片31采用ST-X石英材料。所述一维叉指换能器32的电极材料为铝，电极周期为5微米，中心频率为0.4f₀。所述二维金属点阵33的阵元331的材料是钨，点阵周期为2微米。可知所述一维叉指换能器32的电极周期与二维金属点阵的周期之比为η＝2.5。此时所述选频叉指换能器实现带阻陷波响应，并且可以控制一维叉指换能器32和二维金属点阵通带进行复合叠加，从而改善一维叉指换能器32的阻带特性。图中所示曲线表示二维钨点阵在0.49到0.51频率段获得阻带特性，从而实现了带阻功能。

如上所述，本发明实施例有如下的有益结果：本发明较现有的一维叉指换能器而言，其频率特性由一维叉指换能器频率响应和二维金属点阵频率响应叠加复合而成。该频率合成是通过控制叉指电极和二维金属点阵之间的周期比例实现，选频带通叉指换能器的电极周期与金属点阵周期的比例λ/a在1.1到6.6之间。作为示例，带通换能器(带通滤波功能-如图10和11所示，一维叉指换能器的电极周期与二维金属点阵周期的比例λ/a分别控制在2.9和3.1，分别在0.3到0.4频率段和0.25到0.4频率段获得通带特性。选频带阻叉指换能器的电极周期与金属点阵周期比例λ/a在0.2到6之间，带阻换能器(带阻陷波功能)如图10所示，叉指周期与点阵周期比例控制在2.5，在0.49到0.51频率段获得阻带特性。因而具有更加灵活的选频特性。从而突破现有一维换能器的频率响应限制。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种选频叉指换能器，其特征在于，所述换能器包括：压电基片，位于所述压电基片上的一维叉指换能器和位于所述一维叉指换能器之上的二维金属点阵，通过选择所述二维金属点阵的周期和所述一维叉指换能器电极周期的比值，产生通带或阻带。

2.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述二维金属点阵阵元的材料为铜、钨或金。

3.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述一维叉指换能器的电极材料为铝、铜或金。

4.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述压电基片的材料为钽酸锂、铌酸锂或石英。

5.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述一维叉指换能器电极周期和二维金属点阵周期的比例在1.1到6.6之间时，实现带通频率特性。

6.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述一维叉指换能器电极周期和二维金属点阵周期的比例在0.2到6之间时，实现带阻频率特性。

7.一种通带或阻带的选频方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：通过选择设置在一维叉指换能器之上的二维金属点阵的点阵周期和一维叉指换能器电极周期的比值，产生通带或阻带频率响应。